徐毅豪，秦汝祥,2，賈明樂(lè)，劉忠平，張成功

(1.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.煤炭安全精準(zhǔn)開(kāi)采國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，安徽 淮南 232000；3.陜西開(kāi)拓新礦業(yè)工程有限公司，陜西 西安 710000)

受井下地質(zhì)構(gòu)造和鉆孔施工的限制[1-2]，特定條件下需要采用下向鉆孔測(cè)定煤層瓦斯壓力[3]。然而，孔壁巖體滲水會(huì)導(dǎo)致下向測(cè)壓鉆孔積水[4]，容易在測(cè)壓管內(nèi)形成水柱[5]，造成實(shí)測(cè)煤層瓦斯壓力誤差增大。因此，消除積水對(duì)測(cè)壓進(jìn)程和測(cè)壓結(jié)果的影響是下向測(cè)壓鉆孔精準(zhǔn)測(cè)壓的重要環(huán)節(jié)。

為了解決下向鉆孔積水導(dǎo)致測(cè)壓精度不足這一難題，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了廣泛的研究，主要有以下3類(lèi)方法：

1)第一類(lèi)是以積水量影響壓力恢復(fù)曲線(xiàn)的特征為基礎(chǔ)，采用結(jié)果修正法，消除水對(duì)下向鉆孔測(cè)壓結(jié)果的影響。潘思東等[6]根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，補(bǔ)充說(shuō)明了水對(duì)瓦斯壓力恢復(fù)曲線(xiàn)的影響；王亮等[7]利用COMSOL軟件建立二維平面應(yīng)變模型，模擬排除水對(duì)下向孔測(cè)壓影響。修正模擬后的結(jié)果可作為測(cè)壓結(jié)果的對(duì)比和參考，但在修正推算過(guò)程中涉及煤樣的特征信息[8]，存在測(cè)定復(fù)雜、周期長(zhǎng)、成功率低、精準(zhǔn)度欠缺等不足[9]。因此，理論修正誤差大，還需要通過(guò)工程施工消除積水對(duì)測(cè)壓結(jié)果的影響。

2)第二類(lèi)是通過(guò)封堵鉆孔圍巖含水裂隙來(lái)隔絕含水層，以排除水對(duì)測(cè)壓結(jié)果的影響。劉洋等[10]應(yīng)用膠囊下向鉆孔封孔工藝提高密封效果；黨龍等[11]通過(guò)下向孔帶壓封孔技術(shù)密封煤體和圍巖裂隙；陳星明等[12]通過(guò)建立底水錐進(jìn)模型獲取底水突破煤層時(shí)間，進(jìn)而控制封孔時(shí)間，消除承壓水對(duì)測(cè)壓的影響；趙麥來(lái)等[13]采用套管和二次注漿隔絕裂隙和底板水。然而，由于不清楚含水層與鉆孔溝通的確切位置[14]，堵水測(cè)壓密封效果不佳[15]，且現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員缺乏合理的標(biāo)準(zhǔn)判定測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性[7]。因此，必須進(jìn)行有效排水，才能合理消除積水對(duì)測(cè)壓結(jié)果的影響。

3)第三類(lèi)是基于壓風(fēng)排水原理，將水排出鉆孔。童碧等[16]分組分時(shí)段對(duì)鉆孔進(jìn)行壓風(fēng)排水；陳虎等[17]提出采用周期集中排水的方法，將鉆孔內(nèi)積水排出；柏發(fā)松等[18]采用定時(shí)單孔分組進(jìn)行排水；曹陽(yáng)等[19]設(shè)計(jì)了一種需要確定排水周期的下向孔排水裝置。

現(xiàn)有的排水技術(shù)與裝置可以實(shí)現(xiàn)排水，改善了下向鉆孔測(cè)壓效果。然而，多數(shù)研究主要基于壓風(fēng)排水原理實(shí)現(xiàn)排水[16-19]，實(shí)施過(guò)程中無(wú)法掌握下向鉆孔測(cè)壓氣室內(nèi)的水量情況，且需要人工定期排水，工序復(fù)雜，成本高。為消除下向測(cè)壓鉆孔內(nèi)積水對(duì)測(cè)壓結(jié)果的影響，在分析現(xiàn)有下向鉆孔排水技術(shù)與裝置的基礎(chǔ)上，基于氣體壓力差與毛細(xì)作用力原理，設(shè)計(jì)了一種煤層瓦斯測(cè)壓下向鉆孔自動(dòng)排水實(shí)驗(yàn)裝置，研究了自動(dòng)排水技術(shù)方法，分析了有機(jī)硅膠膜彈性形變與測(cè)壓氣室內(nèi)水位高度的定量關(guān)系，確定了最優(yōu)排水區(qū)間，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)緩慢排水。

1 自動(dòng)排水裝置設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

自動(dòng)排水裝置由測(cè)壓模塊、自動(dòng)排水模塊、排水傳送模塊三部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1 自動(dòng)排水裝置結(jié)構(gòu)關(guān)系

1)測(cè)壓模塊：由測(cè)壓氣室與測(cè)壓管組成。通過(guò)測(cè)壓管對(duì)測(cè)壓氣室進(jìn)行測(cè)壓。

2)自動(dòng)排水模塊：由感知腔體、彈性膜和與之相接的排水管口組成。感知腔體與測(cè)壓管連通，實(shí)現(xiàn)模塊對(duì)水位的實(shí)時(shí)感知，并自動(dòng)排水。

3)排水傳送模塊：由毛細(xì)管束組組成。利用內(nèi)部毛細(xì)管束組的毛細(xì)作用,以及測(cè)壓氣室與外界的壓力差將水排出。

1.2 工作原理

裝置中的測(cè)壓、自動(dòng)排水、排水傳送3個(gè)模塊相互作用，其運(yùn)行時(shí)空工序原理如圖2所示。

圖2 自動(dòng)排水裝置運(yùn)行時(shí)空工序原理

1)巖隙水滲入測(cè)壓氣室并不斷積聚，隨著水位升高，自動(dòng)排水模塊承壓逐漸增大。當(dāng)水位達(dá)到排水區(qū)間(hmin,hmax)內(nèi)，此時(shí)自動(dòng)排水模塊承受壓力達(dá)到打開(kāi)排水管口的閾值。

2)排水管口打開(kāi)后，在測(cè)壓氣室與外界的壓力差和毛細(xì)力的作用下通過(guò)排水傳送模塊將水排出鉆孔，從而消除積水的影響，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)壓。

2 自動(dòng)排水模塊

自動(dòng)排水模塊為自動(dòng)排水裝置的核心模塊，在水壓作用下可自動(dòng)調(diào)節(jié)排水管的開(kāi)閉，無(wú)需人工定期對(duì)鉆孔進(jìn)行排水。

2.1 模塊組成

自動(dòng)排水模塊主要由感知腔體外接法蘭連接彈性硅膠膜組成。感知腔體內(nèi)部中空，豎直布置，腔體具體幾何尺寸與形狀可根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)選用。腔體上部連接測(cè)壓管，以使腔內(nèi)氣壓與測(cè)壓氣室氣壓相等，測(cè)壓管與排水管布置方向與鉆孔方向平行。自動(dòng)排水模塊的實(shí)物圖和模塊組成示意圖見(jiàn)圖3～4。

圖3 自動(dòng)排水模塊實(shí)物

圖4 自動(dòng)排水模塊組成

2.2 膜的“呼吸”

自動(dòng)排水模塊中的彈性膜在水壓作用下,因兩側(cè)受力不均發(fā)生形變，呈現(xiàn)出膜與管口“接觸—閉合—接觸—……”的“呼吸”循環(huán)現(xiàn)象，其具體的“呼吸”原理如圖5所示。

圖5 膜的“呼吸”動(dòng)態(tài)循環(huán)原理

1)測(cè)壓氣室內(nèi)積水液面逐漸升高超過(guò)整個(gè)模塊，此時(shí)彈性膜外側(cè)壓力大于內(nèi)側(cè)腔體內(nèi)的氣體壓力，彈性膜逐漸內(nèi)凹，彈性膜與管口分離，鉆孔內(nèi)積水進(jìn)入排水管。

2)隨著測(cè)壓氣室內(nèi)積水的排出，積水水位下降，彈性膜外側(cè)壓力逐漸減小，緩慢恢復(fù)形變，直至完全接觸并封堵管口，排水管不再排水。

3)當(dāng)水位下降至自動(dòng)排水模塊以下時(shí)，彈性膜與管口緊密接觸，封堵管口，管口密封。

隨著鉆孔內(nèi)積水增多，排水管再次打開(kāi)，如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)壓鉆孔的自動(dòng)連續(xù)緩慢排水。整個(gè)排水過(guò)程中，測(cè)壓氣室與排水管外始終處于水封狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生測(cè)壓氣室氣體泄漏情況。

2.3 彈性膜性能測(cè)試

模塊中的彈性膜選用有機(jī)硅膠薄膜，如圖6所示。硅膠膜彈性強(qiáng)，其化學(xué)惰性、防水性、耐溫性等多方面性能均較優(yōu)。

圖6 有機(jī)硅膠薄膜

對(duì)硅膠膜的彈性性能進(jìn)行測(cè)試。將彈性硅膠膜固定在亞克力管下端，向管內(nèi)緩慢注水。使用紅外線(xiàn)測(cè)距儀測(cè)量硅膠膜中心與測(cè)點(diǎn)距離，未注水時(shí)距離為y1，注水后距離為y2，則硅膠膜形變量Δy=y1-y2。之后更換不同厚度的硅膠膜，重復(fù)測(cè)試。測(cè)試方法如圖7所示。

圖7 彈性硅膠膜形變測(cè)試方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同厚度硅膠膜在不同水位(h)下受水壓作用發(fā)生的形變量(Δy),最終擬合出不同厚度膜形變量隨水位變化曲線(xiàn)，如圖8所示。相關(guān)擬合方程見(jiàn)表1。

圖8 不同厚度硅膠膜隨水位變化形變量測(cè)試結(jié)果

表1 硅膠膜在水壓作用下形變方程

表1中線(xiàn)性擬合度R2值均在0.9以上，表明硅膠膜形變量隨水位的變化呈線(xiàn)性關(guān)系。從圖8中可看出，膜越薄，其隨水位變化產(chǎn)生的形變?cè)矫黠@。但在實(shí)際應(yīng)用中，筆者發(fā)現(xiàn)雖然0.2 mm硅膠膜隨水位變化形變明顯，但膜太薄容易破裂，且變化幅度大，可控性差，而厚度超過(guò)1.0 mm的膜又存在形變不明顯、不易安裝的缺點(diǎn)，所以選用0.3～1.0 mm厚度的硅膠膜為宜。

3 自動(dòng)排水試驗(yàn)

3.1 排水區(qū)間推導(dǎo)

在設(shè)計(jì)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉆孔內(nèi)水位必須達(dá)到相應(yīng)的閾值區(qū)間時(shí)，才可利用氣壓差將鉆孔中的水壓出，因此進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，界定排水閾值區(qū)間。

3.1.1 最高水位

鉆孔內(nèi)水位不能超過(guò)測(cè)壓管的花管部分，否則積水會(huì)進(jìn)入測(cè)壓管，導(dǎo)致測(cè)壓失敗。在水位到達(dá)測(cè)壓管花管部分前，且不影響其測(cè)壓進(jìn)程的情況下，存在最高水位hmax。

3.1.2 最低水位

如圖9所示，鉆孔內(nèi)水位高度為h；在內(nèi)外壓力差的作用下，水位在排水管中的上升高度為hp；因?yàn)榕潘懿捎妹?xì)管束組，所以水位又會(huì)在毛細(xì)作用力的作用下再上升一段高度,為hδ。

圖9 排水區(qū)間推導(dǎo)示意圖

如果要排出鉆孔內(nèi)的積水，就必須使h+hp+hδ≥H，且當(dāng)h+hp+hδ=H時(shí)，h即為最小值，記為hmin。推導(dǎo)如下：

(1)

(2)

H=Lsinα

(3)

hmin+hp+hδ=H

(4)

將式(1)、(2)、(3)代入式(4)得：

(5)

式中：p為鉆孔內(nèi)氣壓，Pa;p0為外界大氣壓，Pa;ρ為鉆孔內(nèi)水的密度，取103kg/m3;g為重力加速度，取10 m/s2;D為毛細(xì)管內(nèi)徑，mm;H為水位總高度，m；L為鉆孔長(zhǎng)度,m;α為鉆孔傾角，(°)。

綜上所述，合理排水區(qū)間為(hmin,hmax)，在此區(qū)間內(nèi)自動(dòng)排水模塊打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)排水。

3.2 模型試驗(yàn)

制作實(shí)物仿真模型，模擬測(cè)壓氣室進(jìn)行試驗(yàn)，如圖10所示。

圖10 實(shí)物仿真模型

使用亞克力管模擬測(cè)壓氣室，管體內(nèi)置自動(dòng)排水模塊，測(cè)壓管和排水管，管體上端封口，形成密閉空間，外接有氣泵、水泵，并設(shè)置模擬條件如下：

1)模擬鉆孔空間內(nèi)溫度恒定；

2)水泵控制滲入模型內(nèi)部的水位高度；

3)氣泵控制模型內(nèi)部氣壓模擬測(cè)壓氣室氣壓。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

1)為驗(yàn)證排水可行性，對(duì)式(5)進(jìn)一步推導(dǎo)驗(yàn)算，得出：當(dāng)設(shè)定煤層壓力0.1 MPa、下向鉆孔長(zhǎng)度L≤10 m、鉆孔傾角α取值為5°≤|α|≤90°[20]時(shí)，利用氣壓差與毛細(xì)作用力排水高度可達(dá)11.5 m，大于鉆孔垂直高度，可將水排出鉆孔，如圖11所示。

圖11 排水可行性

2)排水速度驗(yàn)證：實(shí)物仿真模型模擬的排水試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 排水試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

測(cè)壓氣室氣壓可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模擬調(diào)整，排水持續(xù)整個(gè)試驗(yàn)加壓過(guò)程，該裝置能較好地實(shí)現(xiàn)連續(xù)緩慢排水的目標(biāo)。在工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，其管徑、毛細(xì)管束組等條件應(yīng)視具體情況而定。

4 結(jié)論

1)基于氣體壓力差和毛細(xì)作用力原理，在排水區(qū)間(hmin,hmax)內(nèi)，以水位壓差作為因變量控制自動(dòng)排水模塊打開(kāi)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)連續(xù)排水。

2)設(shè)定測(cè)壓氣室氣壓為0.152×105Pa，排水管管徑為15 mm，毛細(xì)管內(nèi)徑為0.2 mm、數(shù)量為950根時(shí)，排水速度為0.444 3 cm3/s。

3)當(dāng)鉆場(chǎng)下方有煤層時(shí)，可通過(guò)施工下向鉆孔實(shí)現(xiàn)瓦斯測(cè)壓，可提高鉆孔利用率，減少巷道和鉆場(chǎng)工程量。